[發明專利]一種改性碳纖維及其與尼龍6復合材料的制備

在審

• 申請號: 202010038480.6
• 申請日: 2020-01-14
• 公開（公告）號: CN111139646A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 何敏;張道海;秦舒浩;徐國敏;劉玉飛;張凱;龍麗娟
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: D06M15/03
• 分類號: D06M15/03;D06M13/127;D06M11/64;D06M23/00;C08L77/02;C08K9/02;C08K9/04;C08K7/06;D06M101/40
• 代理公司: 貴陽易博皓專利代理事務所(普通合伙) 52116
• 代理人: 張浩宇

本發明公開了一種改性碳纖維，其特征在于：首先，索氏提取器蒸汽分子預處理法處理碳纖維，然后電泳沉積殼聚糖修飾碳纖維而得，所述的蒸汽分子為丙酮和濃硝酸。(1)提出了一種新的預處理方法——索氏提取器蒸汽分子預處理法，與傳統的溶劑浸泡處理相比，降低了對CF本體性能造成的損傷，又可以對CF表面進行均勻有效的清洗和氧化處理。(2)在電泳沉積過程中，帶正電的殼聚糖分子對CF進行修飾，增加CF表面化學活性和石墨層的無序程度，增大表面粗糙度，改善CF與PA6的界面相容性和結合性，提高CF/PA6復合材料的耐濕熱性能和力學性能。

技術領域

本發明涉及一種炭纖維改性及改性炭纖維與尼龍6的復合材料的制備方法，具體為炭纖維改性研究領域。

背景技術

從幾何角度來看，碳纖維(CF)單絲大致屬于一種圓柱體，其結構和性質都顯示出沿軸方向中心對稱性。CF不僅在力學方面具有高強度和高模量的特性，還具有高導熱和導電性，優異的耐腐蝕性，低線性熱膨脹系數和低密度等優異性能，奠定了其作為增強相填充在基體材料中增強復合材料的力學和耐濕熱性能。目前CF復合材料已經被廣泛應用于一些前沿領域，比如汽車、運動器材、輪船、航空航天領域等。復合材料性能的好壞主要取決于CF與基體之間界面粘結性，界面發揮橋梁的作用連接CF和基體材料。然而，CF表面的碳原子活性較低，活性官能團種類和含量較少，整體表現為化學惰性，導致其與基體材料之間不容易形成化學鍵合，缺少化學鍵的存在，CF與基體之間的界面結合強度較弱，因此界面之間僅僅依賴物理吸附力不能達到工程應用的標準。

在大多數CF表面修飾的研究中，通常未對CF進行表面預處理或只是做簡單的清洗處理。預處理包含清洗和氧化處理，其工藝不當可能會導致CF表面清洗和氧化不徹底、不均勻等現象的發生，甚至出現刻蝕現象對纖維造成二次損傷，大大降低了其本體性能，也會影響修飾CF表面的效果。

CF表面清洗的方法主要包含丙酮清洗法、酸刻蝕法和高溫燒蝕法等，其中最常用的是丙酮清洗法，直接將CF放入丙酮溶液中浸泡24-48h，反應周期較長且不能徹底清除表面的商業上漿劑，通過添加超聲輔助和超臨界裝置可以縮短清洗時間，但會導致CF單絲拉伸強度下降，且操作工藝復雜。酸刻蝕法是將CF 放入酸溶液中浸泡，利用酸腐蝕原理去除CF表面的商業上漿劑，但可控性較差容易破壞CF的本體性能。高溫燒蝕是在隔絕空氣的升溫狀態下，通過熱分解反應去除CF表面的商業上漿劑，但是處理后CF變脆，單絲拉伸強度下降明顯，并且容易在纖維表面生成弱連接的碳碳鍵。清洗后CF表面的含氧活性官能團種類和含量缺失，不能有效的與含活性羥基和氨基的修飾物通過化學鍵合的方式接合，降低了修飾物改性CF表面的效果。因此，在清洗之后修飾之前對CF進行氧化預處理，可以有效在纖維表面引入羥基和羧基，提高纖維表面的化學活性。

對CF表面預處理之后，進一步對CF表面進行修飾，修飾CF的方法主要分為化學和物理修飾法，其中包括：(1)化學接枝，(2)電泳沉積，等離子體和物理施膠等修飾方法。

商業CF表面的活性官能團較少，表現為化學惰性，難于與PA6基體以化學鍵合的方式結合，導致CF表面與PA6基體的潤濕性和結合性較差，制約了CF/PA6 復合材料的應用。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：通過不同的處理方式及修飾方法對CF表面進行有效的修飾，(1)增加CF表面含氧活性官能團的種類和含量，提高纖維表面的化學活性，(2)增大CF的表面粗糙度和表面積，(3)探究修飾處理對CF 表面無序程度的影響，(4)提高CF和PA6的界面相容性和粘結力，改善CF/PA6 復合材料的耐濕熱和力學性能。

本發明的技術方案是：一種改性碳纖維，首先，索氏提取器蒸汽分子預處理法處理碳纖維，然后電泳沉積殼聚糖修飾碳纖維而得，所述的蒸汽分子為丙酮和濃硝酸；先使用丙酮蒸汽分子預處理后，再用濃硝酸蒸汽分子預處理。